新轴及轴毂联接

1、第第10 10章章 轴及轴毂联接轴及轴毂联接10.1 10.1 轴的类型及其材料轴的类型及其材料10.2 10.2 动载荷与交变应力动载荷与交变应力10.3 10.3 轴的结构设计轴的结构设计10.4 10.4 轴的强度设计轴的强度设计10.5 10.5 轴毂连接轴毂连接10.1 10.1 轴的类型及其材料轴的类型及其材料一、轴的功用及其类型一、轴的功用及其类型1.1.功用功用1 1）支承回转运动零件；）支承回转运动零件；2 2）传递运动和动力）传递运动和动力2.2.类型类型按其结构形状分为按其结构形状分为光轴光轴和和阶梯轴阶梯轴。光轴 阶梯轴按轴的轴线形状可分为按轴的轴线形状可分为: :直轴

2、、曲轴、挠性轴直轴、曲轴、挠性轴曲曲 轴轴挠性钢丝轴挠性钢丝轴按轴功用和承载情况，可分为三种类型：按轴功用和承载情况，可分为三种类型： 转轴转轴既传递扭矩又承受弯矩既传递扭矩又承受弯矩 心轴心轴只承受弯矩只承受弯矩 传动轴传动轴只传递扭矩只传递扭矩自行车前轴自行车前轴-心轴心轴汽车的传动轴汽车的传动轴 减速器轴减速器轴转轴转轴此外，轴还可以分为实心轴和空心轴。此外，轴还可以分为实心轴和空心轴。二、轴的材料二、轴的材料1.1.选择轴的材料时应主要考虑的因素：选择轴的材料时应主要考虑的因素：（1 1）轴的强度、刚度及耐磨性要求；）轴的强度、刚度及耐磨性要求；（2 2）轴的热处理方法及机加工工艺性的

3、要求；）轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；（3 3）轴的材料来源和经济性等。）轴的材料来源和经济性等。2.2.轴的常用材料轴的常用材料（2 2）3535、4040等优质碳素钢，其中价廉物美的等优质碳素钢，其中价廉物美的45 45 应用最普遍。应用最普遍。（1 1）碳素结构钢，如）碳素结构钢，如Q235Q235、Q275Q275等。等。 附：轴常用材料及机械性能表附：轴常用材料及机械性能表 （4 4）球墨铸铁，代替合金结构钢做形状复杂）球墨铸铁，代替合金结构钢做形状复杂 的轴，吸振性好，对应力敏感性低。的轴，吸振性好，对应力敏感性低。3.3.轴的毛坯形式轴的毛坯形式一般采用轧制的圆钢或锻件。一

4、般采用轧制的圆钢或锻件。（3 3）合金钢，如）合金钢，如35CrMo35CrMo、40Cr40Cr等，比碳钢更好等，比碳钢更好 的机械性能和淬透性，价格更高。的机械性能和淬透性，价格更高。轴的常用材料及其机械性能轴的常用材料及其机械性能10.2 10.2 动载荷与交变应力动载荷与交变应力一、动载荷与交变应力一、动载荷与交变应力 1. 1. 动载荷动载荷静载荷：静载荷：大小和方向不随时间而变化的载荷。大小和方向不随时间而变化的载荷。动载荷（或变载荷）：动载荷（或变载荷）：载荷明显要随时间变化，载荷明显要随时间变化， 或者是短时间内有突变的载荷。或者是短时间内有突变的载荷。2. 2. 交变应力交变

5、应力 （1 1）定义：动载荷作用下产生的随时间变化的应力。）定义：动载荷作用下产生的随时间变化的应力。 工程实际中，大多数零件工作时所受到的载荷都工程实际中，大多数零件工作时所受到的载荷都 是动载荷，如内燃机、颚式破碎机中的构件。是动载荷，如内燃机、颚式破碎机中的构件。 圆轴表面上任意一点圆轴表面上任意一点A A在任一瞬时的弯曲正应力为：在任一瞬时的弯曲正应力为：tIMyIMzAzA Rsin应力循环（或周期）：应力循环（或周期）：交变应力从最大变到最小、交变应力从最大变到最小、 再从最小变到最大的变化过程。再从最小变到最大的变化过程。（2 2）实例：实例：(3)(3)交变应力的参数交变应力的

6、参数最大应力最大应力max最小应力最小应力minmaxminr循环特征系数循环特征系数2minmaxm 平均应力平均应力2minmaxa 应力幅应力幅对称循环应力对称循环应力r =- -1O脉动循环应力脉动循环应力r =0 0静应力静应力r =1(4)(4)交变应力的类型交变应力的类型非对称循环应力非对称循环应力-1 r 1且且r 0 二、疲劳失效与持久极限二、疲劳失效与持久极限 1.1.疲劳失效疲劳失效（1 1）定义：在交变应力作用下发生的失效。）定义：在交变应力作用下发生的失效。（2 2）特点）特点 破坏时的最大应力远低于材料在静应力下破坏时的最大应力远低于材料在静应力下 的屈服极限；的屈

7、服极限； 即使是塑性较好材料，经过多次应力循环后，即使是塑性较好材料，经过多次应力循环后， 也会和脆性材料一样发生突然断裂，断裂前也会和脆性材料一样发生突然断裂，断裂前 没有明显的塑性变形。没有明显的塑性变形。断口上呈现明显的两个区域：断口上呈现明显的两个区域： 光滑区和粗糙区。光滑区和粗糙区。 （3 3）与特点对应的原因）与特点对应的原因交变应力超过一定限度并反复作用交变应力超过一定限度并反复作用最大应力处或材料薄弱处产生裂纹最大应力处或材料薄弱处产生裂纹裂纹扩展裂纹扩展脆性断裂脆性断裂形成光滑区形成光滑区形成粗糙区形成粗糙区2.2.疲劳极限（或持久极限）疲劳极限（或持久极限） 指材料试样经

8、过无穷多次应力循环而不发生破指材料试样经过无穷多次应力循环而不发生破坏时，应力循环中坏时，应力循环中最大应力的最高限最大应力的最高限。试样材料的最大工作应力和试样材料的最大工作应力和寿命寿命( (即即应力循环次数应力循环次数) )之间的关系可用如下疲劳曲线来表示。之间的关系可用如下疲劳曲线来表示。实验得到材料疲劳极限与静强度极限之间的实验得到材料疲劳极限与静强度极限之间的数量关系：数量关系：弯曲对称循环：弯曲对称循环： )(27. 01bs拉拉( (压压) )对称循环：对称循环： )(.bs 2301扭转对称循环：扭转对称循环： )(15. 01bs弯曲脉动循环：弯曲脉动循环： 1033. 1

9、注意：注意：在对称循环交变应力作用下材料的疲劳极限值最在对称循环交变应力作用下材料的疲劳极限值最 低，即对称循环的交变应力对构件来说最危险。低，即对称循环的交变应力对构件来说最危险。10.3 10.3 轴的结构设计轴的结构设计一、概述一、概述1.1.典型转轴结构实例典型转轴结构实例轴头 轴颈轴肩轴身轴颈轴颈轴环轴头 轴颈3.3.一般轴结构设计的基本要求一般轴结构设计的基本要求(4)(4)形状、尺寸要求形状、尺寸要求 有利于减少应力集中。有利于减少应力集中。2.2.轴的结构设计的概念轴的结构设计的概念确定轴的外形及全部结构尺寸。确定轴的外形及全部结构尺寸。(1)(1)定位要求定位要求 要求轴和轴

10、上零件要有准确要求轴和轴上零件要有准确 的工作位置。的工作位置。(2)(2)固定要求固定要求 要求轴上各零件的位置要可要求轴上各零件的位置要可 靠地固定。靠地固定。(3)(3)工艺要求工艺要求 轴的结构应便于轴的加工和轴的结构应便于轴的加工和 轴上零件装拆。轴上零件装拆。二、轴上零件的定位和固定二、轴上零件的定位和固定 （1 1）轴肩和轴环）轴肩和轴环 1.1.轴上零件的轴向定位和固定轴上零件的轴向定位和固定 轴肩和轴环是轴段因直径变化而形成的结构，轴肩和轴环是轴段因直径变化而形成的结构，都对轴上零件起单向定位和固定作用。都对轴上零件起单向定位和固定作用。 注意：注意：参数参数R、R1、C1

11、、h和和b要查阅设计手册确定。要查阅设计手册确定。正确结构错误结构（2 2）套筒和圆螺母）套筒和圆螺母 注意：注意：轴上两零件相距较近时，一轴上两零件相距较近时，一 般采用套筒；当两零件相距般采用套筒；当两零件相距 较远时较远时 ，可采用圆螺母。，可采用圆螺母。 应力集中，削弱强度（3 3）轴端挡圈和圆锥面）轴端挡圈和圆锥面 轴端挡圈和圆锥面 两者常结合起来使用，轴上零件装拆方便。两者常结合起来使用，轴上零件装拆方便。轴端挡圈和圆柱面注意：注意：主要用于轴上零件与轴的同心度要求较高主要用于轴上零件与轴的同心度要求较高 或轴受振动的场合，且多用于轴端。或轴受振动的场合，且多用于轴端。（4 4）弹

12、性挡圈和紧定螺钉）弹性挡圈和紧定螺钉 结构简单，但只能承受较小的轴向力。结构简单，但只能承受较小的轴向力。 2. 2. 轴上零件的周向定位和固定轴上零件的周向定位和固定 平键连接花键连接过盈配合销连接成形连接三、三、 轴的结构工艺性轴的结构工艺性 轴的结构应便于轴上零件的装拆和固定轴的结构应便于轴上零件的装拆和固定通常做成阶梯轴。通常做成阶梯轴。2. 2. 轴的结构应便于加工制造轴的结构应便于加工制造（1 1）轴上需切制螺纹时应留出退刀槽；）轴上需切制螺纹时应留出退刀槽；（2 2）轴段需磨削时应留有砂轮越程槽；）轴段需磨削时应留有砂轮越程槽； （4 4）不同轴段有几个键槽时应位于同一母线上。）

13、不同轴段有几个键槽时应位于同一母线上。 （3 3）轴端和各轴段端部应有）轴端和各轴段端部应有4545倒角，倒角，轴上的轴上的 倒角和圆角半径尽量一致；倒角和圆角半径尽量一致；3.3.轴的结构应便于减少应力集中轴的结构应便于减少应力集中（1 1）尽量减少阶梯数；）尽量减少阶梯数；（2 2）相邻轴段尺寸变化尽量小，且要有过渡圆角；）相邻轴段尺寸变化尽量小，且要有过渡圆角；（4 4）提高轴的表面质量，降低表面粗糙度。提高轴的表面质量，降低表面粗糙度。（3 3）尽量避免在轴上开横孔、凹槽和加工螺纹；）尽量避免在轴上开横孔、凹槽和加工螺纹；rr(a)凹切圆角rr(a)过渡肩环d1d1.05ddr卸荷槽d

14、1d1.05ddr过盈配合应力分布 四处错误四处错误正确正确 三处错误三处错误 正确正确找错练习：找错练习：两处错误两处错误1.1.左侧键太长，套左侧键太长，套 筒无法装入筒无法装入2.2.多个键应位于同多个键应位于同 一母线上一母线上正确正确 （4 4）与零件相配合的轴头直径，应采用国家标准规定）与零件相配合的轴头直径，应采用国家标准规定 的标准尺寸。的标准尺寸。 四、轴的尺寸四、轴的尺寸 确定轴的直径除应考虑满足强度与刚度要求外，确定轴的直径除应考虑满足强度与刚度要求外，还要考虑下面因素的影响：还要考虑下面因素的影响：（1 1）与滚动轴承配合的轴颈直径，必须符合滚动轴）与滚动轴承配合的轴颈

15、直径，必须符合滚动轴 承内径的标准；承内径的标准；（2 2）轴上车制螺纹部分的直径，必须符合螺纹标准；）轴上车制螺纹部分的直径，必须符合螺纹标准；（3 3）安装联轴器的轴头直径应与联轴器的孔径范围）安装联轴器的轴头直径应与联轴器的孔径范围 相适应；相适应； 10.4 10.4 轴的强度设计轴的强度设计一、按扭转强度估算轴的最小直径一、按扭转强度估算轴的最小直径其中：功率其中：功率PKW；转速转速 nr/min；直径直径d mm； C 由轴的材料和受载情况决定的常数由轴的材料和受载情况决定的常数3362010559nPCnP.d 常用材料的常用材料的值和值和C C值值注意：注意：轴上有键槽时，应

16、将上式轴径轴上有键槽时，应将上式轴径d d的计算结果提的计算结果提 高，一个键槽提高高，一个键槽提高3 35%5%，二个键槽提高，二个键槽提高7 710%10%d.)T(MWMrr132210 二、按弯扭合成强度条件校核二、按弯扭合成强度条件校核其中：其中：r r-当量应力当量应力； Mr -当量弯矩当量弯矩； M -合成弯矩合成弯矩； d -轴的直径轴的直径；W -横截面的弯曲截面系数横截面的弯曲截面系数； -折算系数折算系数 轴的结构设计后，用根据第三强度理论推轴的结构设计后，用根据第三强度理论推得的公式校核，即得的公式校核，即其中：其中：101对称循环状态下的许用弯曲应力对称循环状态下的

17、许用弯曲应力脉动循环状态下的许用弯曲应力脉动循环状态下的许用弯曲应力静应力状态下的许用弯曲应力静应力状态下的许用弯曲应力111 6.001 3.011 对称循环扭转剪应力时对称循环扭转剪应力时脉动循环扭转剪应力时脉动循环扭转剪应力时不变的扭转剪应力时不变的扭转剪应力时常用材料各种许用弯曲应力值可查手册。常用材料各种许用弯曲应力值可查手册。 其中其中 y 轴的许用挠度轴的许用挠度 轴的许用偏转角轴的许用偏转角 轴的许用扭转角轴的许用扭转角三、三、轴的刚度校核轴的刚度校核 y y 1.1.选择轴的材料选择轴的材料 2.2.初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径3.3.轴的结构设计轴的结构设计4.

18、4.轴的强度校核和刚度校核轴的强度校核和刚度校核四、轴的设计步骤四、轴的设计步骤 试设计该减速器的输出轴。已知输出轴传递的功试设计该减速器的输出轴。已知输出轴传递的功率率P=11KW，转速，转速n=210r/min,作用在齿轮上的圆周力作用在齿轮上的圆周力Ft=2618N,径向力径向力Fr=982N,轴向轴向力力Fa=653N，大齿轮分度大齿轮分度圆直径圆直径d2=382mm,轮毂宽度轮毂宽度B=80mm。五、轴的设计实例五、轴的设计实例（1 1）初定）初定5 5个轴段，同时确定轴上各件的轴向个轴段，同时确定轴上各件的轴向和周向定位方式和周向定位方式1.结构设计结构设计 选用选用45钢正火处理

19、，由表钢正火处理，由表10-1查查b=600MPa，由表由表10-2，取取C=1103362010559nPCnP.d =41.2mm（2）确定轴段）确定轴段尺寸尺寸考虑到有键槽，将直径增大考虑到有键槽，将直径增大5%，则，则d =43.3mm 选取选取TL7型弹性套柱销联轴器，其轴孔直径为型弹性套柱销联轴器，其轴孔直径为45mm,和轴配合部分长度为和轴配合部分长度为84mm,故轴输出端直径故轴输出端直径d=45mm，轴段长，轴段长80mm。（3）确定轴段）确定轴段尺寸尺寸 由机械设计手册查得轮毂孔倒角由机械设计手册查得轮毂孔倒角C1=2.5mm,取轴肩高取轴肩高度度h=2C1=22.5mm=

20、5mm,故故d2=d1+2h=45+25=55mm初选初选6311型深沟球轴承，其内径为型深沟球轴承，其内径为55mm，宽度为，宽度为29mm。取套筒长为取套筒长为20mm；考虑密封盖厚度、联轴器和箱体外壁的距离，取考虑密封盖厚度、联轴器和箱体外壁的距离，取轴承右侧面段长为轴承右侧面段长为55mm；段长段长L2=2+20+29+55=106mm（4）确定轴段）确定轴段尺寸尺寸直径直径d3=60mm,长度长度L3=80-2=78mm（5）确定轴段）确定轴段尺寸尺寸 由机械设计手册查得轮毂孔倒角由机械设计手册查得轮毂孔倒角C1=3mm,取轴肩高取轴肩高度度h=2C1=23mm=6mm,故故d4=d

21、3+2h=60+26=72mm长度和右面套筒长度相同，即长度和右面套筒长度相同，即L4=20mm 机械设计手册查得其安装尺寸为机械设计手册查得其安装尺寸为h=5mm,该段直该段直径应为径应为55+52=65mm，它和，它和d4不符，故把不符，故把轴段设轴段设计成阶梯形（或锥形），左段直径为计成阶梯形（或锥形），左段直径为65mm。段直径段直径d5=55mm,长度长度L5=29mm（6）确定轴段）确定轴段尺寸尺寸绘制轴的结构设计草图。绘制轴的结构设计草图。可算得轴支承跨距可算得轴支承跨距L=149mm2.轴的弯扭组合强度校核轴的弯扭组合强度校核MCV=99N.mMCV=25.7N.m铅垂面危险截

22、面铅垂面危险截面C弯矩：弯矩：FRBV=1327.6NFRA V=345.6N铅垂面支座反力：铅垂面支座反力：（1）铅垂面弯矩）铅垂面弯矩FRAH=FRBH=1309N水平面支座反力水平面支座反力 ：MCH=97.5N.m水平面危险截面水平面危险截面C弯矩：弯矩：（2）水平面弯矩）水平面弯矩（3）危险截面）危险截面C合成弯矩：合成弯矩：22VHMMM MC=139N.m MC=100.8N.m（4）扭矩：）扭矩：T=9550P/n=500N.m求求当量当量弯矩弯矩过程：过程：（5）当）当量弯矩量弯矩当量弯矩计算：当量弯矩计算：22)( TMMCec 危险截面危险截面C处的当量弯矩处的当量弯矩M

23、ec=331N.m转矩产生的扭转剪应力按脉动循环变化，取转矩产生的扭转剪应力按脉动循环变化，取=0.6。MPaMPadTMWMb553 .15601 .0103311 .0)(133322ee 其中：其中： -1b=55MPa由表由表10-3查得查得（6）强度校核计算：）强度校核计算：3.绘制轴的工作图（略）绘制轴的工作图（略）10.5 10.5 轴毂连接轴毂连接 轴毂连接轴毂连接：实现轴和轴上零件周向固定的连接。：实现轴和轴上零件周向固定的连接。一、键连接、花键和销连接一、键连接、花键和销连接 1.1.键连接的类型，构造及工作原理键连接的类型，构造及工作原理 松键连接松键连接紧键连接紧键连接

24、键连接键连接轴毂连接的主要形式轴毂连接的主要形式：键连接和花键连接。：键连接和花键连接。普通平键普通平键连接连接导向平键导向平键连接连接半圆键半圆键连接连接滑键连接滑键连接松键松键连接连接 松键连接依靠两侧面相互挤压传递转矩。键松键连接依靠两侧面相互挤压传递转矩。键的上表面与轮毂键槽底面间有间隙，便于装拆。的上表面与轮毂键槽底面间有间隙，便于装拆。(1)(1)松键连接松键连接普通平键连接普通平键连接 通常用于轴上传动零件相对轴作轴向移动且移通常用于轴上传动零件相对轴作轴向移动且移动距离不大的场合。动距离不大的场合。 导向平键连接导向平键连接滑键连接滑键连接 通常用于轴上传动零件相对轴作轴向移动

25、且移通常用于轴上传动零件相对轴作轴向移动且移动距离较大的场合。动距离较大的场合。 多用于锥形轴端的轴毂连接。半圆键可在轴的键多用于锥形轴端的轴毂连接。半圆键可在轴的键槽内摆动，来适应轮毂键槽底面的斜度。由于轴上键槽内摆动，来适应轮毂键槽底面的斜度。由于轴上键槽过深，对轴的强度削弱较大，槽过深，对轴的强度削弱较大，适用于轻载连接。适用于轻载连接。半圆键连接半圆键连接(2)(2)紧键联接紧键联接紧键联接紧键联接楔键联接楔键联接切向键联接切向键联接普通楔键普通楔键钩头楔键钩头楔键楔键联接楔键联接普通锲键普通锲键钩头锲键钩头锲键 工作时，靠键上下面楔紧的摩擦力传递转矩，工作时，靠键上下面楔紧的摩擦力传

26、递转矩，楔紧力会使轴毂产生偏心，故楔紧力会使轴毂产生偏心，故多用于对中要求不高多用于对中要求不高和转速较低的场合。和转速较低的场合。 由一对普通楔键组成。一对切向键只能传递单由一对普通楔键组成。一对切向键只能传递单向转矩。要传递双向转矩，需要两对键，并分布成向转矩。要传递双向转矩，需要两对键，并分布成1201200 01351350 0。切向键对中性差，对轴的削弱大，。切向键对中性差，对轴的削弱大，故多故多用于重型及矿山机械。用于重型及矿山机械。切向键切向键花键连接比平键连接定心性好、导向性好、传递花键连接比平键连接定心性好、导向性好、传递载荷能力强，对轴的削弱小载荷能力强，对轴的削弱小( (

27、齿浅、应力集中小齿浅、应力集中小) )，制，制造要用专门的设备和工具。造要用专门的设备和工具。故花键连接适用于载荷较故花键连接适用于载荷较大，定心精度要求较高的连接中。大，定心精度要求较高的连接中。2.2.花键连接的类型，特点和选用花键连接的类型，特点和选用矩形齿花键矩形齿花键渐开线花键渐开线花键渐开线花键渐开线花键花键连接花键连接矩形齿花键矩形齿花键( (常用常用) )3 3、销联接、销联接二、平键联接的选择与强度校核二、平键联接的选择与强度校核1. 1. 键联接的失效分析键联接的失效分析普通平键普通平键为较弱零件的为较弱零件的工作面压溃工作面压溃，故一般只需，故一般只需 校核挤压强度。校核挤压强度。键与轴的键槽或与轮毂的键槽在相互接触面上产键与轴的键槽或与轮毂的键槽在相互接触面上产生挤压，因